[국내논문]이종입자 강화 SiC/Al7075 금속복합재료의 압축특성 및 마모특성 연구 Mechanical Properties and Wear Performance of the Al7075 Composites Reinforced with Bimodal Sized SiC Particles원문보기
본 연구에서는 액상가압공정을 통해 고체적율의 SiC 입자가 균일 분산된 알루미늄 금속복합재료를 제조하고, 미세조직, 기계적 특성 및 내마모 특성에 대해 분석하였다. 입자크기가 다른 이종 SiC 입자가 약 60 vol.% 이상의 체적율로 균일하게 분산된 SiC/Al7075 복합재료는 단일 SiC 입자로 강화된 복합재료에 비해 체적율이 약 12% 이상 높았으며 압축강도가 200 MPa 이상 증가하였다. 내마모시험 결과 이종 SiC 입자 금속복합재료의 경우 마모너비와 깊이가 각각 $285.1{\mu}m$, $0.45{\mu}m$이며, 마찰계수는 0.16으로 내마모 특성이 가장 우수하였다.
본 연구에서는 액상가압공정을 통해 고체적율의 SiC 입자가 균일 분산된 알루미늄 금속복합재료를 제조하고, 미세조직, 기계적 특성 및 내마모 특성에 대해 분석하였다. 입자크기가 다른 이종 SiC 입자가 약 60 vol.% 이상의 체적율로 균일하게 분산된 SiC/Al7075 복합재료는 단일 SiC 입자로 강화된 복합재료에 비해 체적율이 약 12% 이상 높았으며 압축강도가 200 MPa 이상 증가하였다. 내마모시험 결과 이종 SiC 입자 금속복합재료의 경우 마모너비와 깊이가 각각 $285.1{\mu}m$, $0.45{\mu}m$이며, 마찰계수는 0.16으로 내마모 특성이 가장 우수하였다.
In this study, we have investigated microstructure, mechanical properties and wear characteristic of aluminum metal matrix composites with a high volume fraction and uniformly dispersed SiC particles which produced by a liquid pressing process. The volume fraction of bimodal SiC/Al7075 composite was...
In this study, we have investigated microstructure, mechanical properties and wear characteristic of aluminum metal matrix composites with a high volume fraction and uniformly dispersed SiC particles which produced by a liquid pressing process. The volume fraction of bimodal SiC/Al7075 composite was 12% higher than that of the monomodal SiC/Al7075 composite and a compressive strength is increased about 200 MPa. As a result of the abrasion test, the wear width and depth of the bimodal SiC/Al7075 composite were $285.1{\mu}m$ and $0.45{\mu}m$, respectively. The coefficient of friction of bimodal SiC/Al7075 was 0.16.
In this study, we have investigated microstructure, mechanical properties and wear characteristic of aluminum metal matrix composites with a high volume fraction and uniformly dispersed SiC particles which produced by a liquid pressing process. The volume fraction of bimodal SiC/Al7075 composite was 12% higher than that of the monomodal SiC/Al7075 composite and a compressive strength is increased about 200 MPa. As a result of the abrasion test, the wear width and depth of the bimodal SiC/Al7075 composite were $285.1{\mu}m$ and $0.45{\mu}m$, respectively. The coefficient of friction of bimodal SiC/Al7075 was 0.16.
준비된 스틸 몰드에 SiC 강화재와 Al7075 모재를 적층하여, 800ºC로 가열하고 진공분위기를 유지한 다음에 100 kg/cm2 하중으로 470ºC까지 가압하였다.
SiC 입자의 체적율이 복합재료의 기계적 특성 및 내마 모 거동에 미치는 영향을 조사하기 위하여 10 µm, 30 µm 입자를 3:1 질량비로 준비한 뒤 3차원 믹서기를 이용하여 플라스틱 병에 SUS 볼과 함께 넣어 1시간 동안 혼합하였고, 혼합된 분말의 미세조직을 Fig. 1에 나타내었다.
액상가압 공정으로 제조된 SiC/Al7075 복합재료의 조직 건전성을 평가하기 위해 광학현미경(Nikon Eclipse LV150N)과 주사전자현미경(JSM-6610LV, JEOL)을 이용하여 미세조직을 분석하였다.
금속복합재료 마찰 시험편은 직경 20 mm, 두께 3 mm 의 디스크 형태로 준비하였다. 디스크 시편 위에 직경이 5 mm 인 Si3N4 볼을 사용하여 하중 5 N, 마모 시간 1800 sec, 속도는 60 mm/s의 조건에서 마모 시험을 수행하여 마찰계수를 측정하였다. 마모 너비(wear width)는 이미지분석 프로그램(Image tool)을 사용하여 주사전자현미경 분석으로부터 얻은 이미지의 마모 폭을 5번 측정하여 평균값을 계산하였다.
마모 너비(wear width)는 이미지분석 프로그램(Image tool)을 사용하여 주사전자현미경 분석으로부터 얻은 이미지의 마모 폭을 5번 측정하여 평균값을 계산하였다. 마모 깊이(wear depth)는 접촉식 3차원 표면분석기(Dektak XT, Bruker)를 사용하여 측정하였다.
대상 데이터
알루미늄 복합재료의 강화재로는 10 µm 크기의 SiC 분말 F600(Saint Gobain SIKA®ABR)과 30 µm SiC F240 입자를 사용하였으며, 금속복합재료의 기지재로는 Al7075(Kaiser aluminum)를 사용하였다.
본 연구에서는 액상가압공정(Fig. 2)을 이용하여 SiC/Al7075 복합재료를 제조하였다. 준비된 스틸 몰드에 SiC 강화재와 Al7075 모재를 적층하여, 800ºC로 가열하고 진공분위기를 유지한 다음에 100 kg/cm2 하중으로 470ºC까지 가압하였다.
SiC/Al7075 복합재료의 마모 거동을 평가하기 위하여 ball-on-disk 타입의 마모시험기인 Tribometer(JLTB060, J&L Tech) 장비를 이용하였다. 금속복합재료 마찰 시험편은 직경 20 mm, 두께 3 mm 의 디스크 형태로 준비하였다. 디스크 시편 위에 직경이 5 mm 인 Si3N4 볼을 사용하여 하중 5 N, 마모 시간 1800 sec, 속도는 60 mm/s의 조건에서 마모 시험을 수행하여 마찰계수를 측정하였다.
본 연구에서는 고체적율 SiC/Al7075 복합재료를 액상가압공정으로 제조하였다. 제조된 복합재료의 미세조직을 분석한 결과 고체적율의 SiC 강화재가 균일하게 분산되어 있었으며, 크랙이나 기공 등의 결함이 없는 것을 확인할 수 있었다.
데이터처리
디스크 시편 위에 직경이 5 mm 인 Si3N4 볼을 사용하여 하중 5 N, 마모 시간 1800 sec, 속도는 60 mm/s의 조건에서 마모 시험을 수행하여 마찰계수를 측정하였다. 마모 너비(wear width)는 이미지분석 프로그램(Image tool)을 사용하여 주사전자현미경 분석으로부터 얻은 이미지의 마모 폭을 5번 측정하여 평균값을 계산하였다. 마모 깊이(wear depth)는 접촉식 3차원 표면분석기(Dektak XT, Bruker)를 사용하여 측정하였다.
성능/효과
레이저 회절분석기(Sympatech HELOS, Clausthal-Zellerfeld, Germany)를 이용하여 분말의 평균 입도 크기를 분석한 결과 각각 11.45 µm, 46.13 µm였다.
이미지분석 프로그램을 이용하여 체적율을 분석한 결과, 이종입자 복합재료 시편 (Fig. 3c)의 체적율은 약 69.9%로 가장 높았으며, 10 µm, 30 µm 단일입자 복합재료(Fig. 3a,b)의 체적율은 각각 59.5%, 67.7%로 30 µm 입자 복합재료가 10 µm SiC/Al7075 복합재료에 비해 10% 이상 높았다.
체적율에 따른 압축강도 비교결과, 3:1 SiC 이종입자 복합재료의 경우 최대압축강도가 904 MPa로 30 µm 단일입자 SiC 복합재료 보다 압축강도가 278 MPa 이상 높게 측정 되었다.
강화재 입자크기에 따른 최대압축강도(Ultimate Compressive Strength, UCS)를 비교해보면 단일입자의 경우, 입자크기가 더 작은 10 µm SiC/Al7075 복합재료의 최대압축 강도값이 871 MPa로 입자크기가 큰 30 µm SiC/Al7075 복합재료의 최대압축강도 626 MPa 보다 약 200 MPa 이상 높았다.
분석 결과로부터 알 수 있듯이 기공 및 크랙 등의 결함이 관찰되지 않았으며 알루미늄 기지에 SiC 강화재가 균일하게 분산된 것을 확인할 수 있었다. 이미지분석 프로그램을 이용하여 체적율을 분석한 결과, 이종입자 복합재료 시편 (Fig.
7%로 30 µm 입자 복합재료가 10 µm SiC/Al7075 복합재료에 비해 10% 이상 높았다. 이를 통해 단일 입자 복합재료 보다, 두 가지 사이즈의 동종 강화재 입자를 혼합하여 복합 재료를 제조할 경우 체적율이 더 높은 금속복합재료를 건전하게 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
10 µm SiC/Al7075 복합재료의 마모면 분석결과 마모 폭이 약 964.5 µm으로 마모 너비가 가 장 넓었으며 많은 양의 마모 파편(wear debris)들이 관찰되었다.
2 µm으로 확인되었다. 마모가 진행됨에 따라 노란색 원형 점선으로 표시된 부분과 같이 모재의 박리(delamination)가 일어난 것을 확인할 수 있으며, 노란색 화살표로 표시한 부분과 같이 Si3N4 볼에 의한 마모로 상대적으로 연질인 Al7075 표면에 홈(groove)이 생성된 것을 확인하였다. 10 µm SiC/Al7075 복합재료의 마모면 분석결과 마모 폭이 약 964.
이것은 입자크기가 작을수록 볼과의 상호작용으로 작은 입자가 더욱 쉽게 pull out되기 때문이다[11,12]. 자세한 마모 거동을 살펴보기 위하여 고배율의 이미지(Fig. 6c)를 관찰한 결과 마모 표면에서 pull out 된 SiC 강화재 입자들이 포함된 마모 파편과 이 부분에 의해 생성된 홈(wear ploughing)이 관찰되었다. 10 µm SiC/Al7075 복합재료의 마모 표면에 대한 EDS 포인트 분석 결과를 Fig.
요약결과 bimodal SiC/Al7075 복합재가 내마모성이 가장 우수하였고, 10 µm SiC/Al7075 복합재의 경우 마모가 심하게 발생하여 마모 너비와 마모 깊이 가장 컸다.
6%로 가장 높았다. 이 결과를 통해, 초기에 SiC 입자가 시편에서 이탈하여 시편표면에 마모 홈을 생성시키고, 마모가 진행됨에 따라 표면박리를 일으켜 마모 파편을 발생시킴을 알 수 있다. 이렇게 발생된 마모 파편들은 ball과의 마찰운동으로 복합재료의 마모를 가속시키게 된다.
이미지에서 확인할 수 있듯이 마모 파편 부분에서 1~20 µm 정도의 다양한 크기의 입자들을 관찰할 수 있었다.
내마모 시험결과 마모 너비는 10 µm SiC/Al7075 복합재료가 964.5 µm로 가장 높았으며 이것은 체적율이 낮은 복합재료에서 강화재 입자가 적출, 마모 파편과 입자들이 마모 과정에서 복합재료 표면의 마모를 더욱 가속화시킨 것으로 사료된다.
이미지에서 확인할 수 있듯이 마모 파편 부분에서 1~20 µm 정도의 다양한 크기의 입자들을 관찰할 수 있었다. EDS 분석 결과 이 부분은 SiC 입자가 Al7075모재와 섞여서 산화되어 있는 것임을 알 수 있었다. Fig.
본 연구에서는 고체적율 SiC/Al7075 복합재료를 액상가압공정으로 제조하였다. 제조된 복합재료의 미세조직을 분석한 결과 고체적율의 SiC 강화재가 균일하게 분산되어 있었으며, 크랙이나 기공 등의 결함이 없는 것을 확인할 수 있었다. 압축시험결과 이종입자 복합재료의 경우 단일입자 복합재료보다 최대압축강도가 약 200 MPa 이상 더 우수하였다.
제조된 복합재료의 미세조직을 분석한 결과 고체적율의 SiC 강화재가 균일하게 분산되어 있었으며, 크랙이나 기공 등의 결함이 없는 것을 확인할 수 있었다. 압축시험결과 이종입자 복합재료의 경우 단일입자 복합재료보다 최대압축강도가 약 200 MPa 이상 더 우수하였다. 내마모 시험결과 마모 너비는 10 µm SiC/Al7075 복합재료가 964.
5 µm로 가장 높았으며 이것은 체적율이 낮은 복합재료에서 강화재 입자가 적출, 마모 파편과 입자들이 마모 과정에서 복합재료 표면의 마모를 더욱 가속화시킨 것으로 사료된다. 또한, 마모 너비, 깊이, 마찰계수 비교결과 세가지 값이 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
3번 부분은 마멸입자들로 박리 이후 표면에서 Si3N4 ball과 마찰하고, 접촉에 의한 온도증가로 산화가 많이 진행되어 산소농도가 42.6%로 가장 높았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알루미늄 금속복합재료는 어떤 분야에서 사용될 수 있는가?
알루미늄 금속복합재료(Aluminum Matrix Composites, AMCs)는 Fe계 합금이나 복합재료 보다 중량 대비 고강도, 고경도, 내마모성, 고강성 등 많은 장점을 가지고 있다. 따라서 자동차 산업뿐만 아니라, 구조물,항공, 선박, 터빈 부품, 경주용 자전거 등 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 그러나 저체적율의 세라믹 강화재가 분산된 알루미늄 금속복합재료의 경우 상대적으로 우수한 내마모 특성과 높은 강도를 요구하는 분야에 적용하기 어려우므로 고체적율의 복합재료의 개발이 필요하다[5].
액상가압공정은 어떤 장점이 있는가?
액상제조공정은 세라믹계 강화재와 기지금속의 나쁜 젖음성으로 공정의 난이도가 높고, 재현성이 낮은 단점이 있으나, 대형화에 유리하고 near-net shape 성형 등 일체 성형이 가능하며 분말공정 대비 가격이 저렴한 장점이 있다[5,6]. 본 연구에서 이용한 액상가압공정은 정수압 원리를 이용하는 것으로 액상(용탕)상태에서 가압하여 함침시키는 기술로서 기존 용탕단조 공정보다 저압에서 성형이 가능한 장점이 있다[7,8].
알루미늄 합금에는 어떤 세라믹 강화재를 첨가하여 강도 높은 금속복합재료로 만드는가?
다양한 소재 중에 알루미늄 합금은 낮은 비중으로 주목을 받고 있으나, 연성이 높고 강도가 낮은 단점을 가지고 있어 SiC, B4C, TiB2, Al2O3와 같은 세라믹 강화재를 첨가하여 강도가 높은 금속복합재료(Metal Matrix Composites, MMCs)를 개발하고 있다[4]. 알루미늄 금속복합재료(Aluminum Matrix Composites, AMCs)는 Fe계 합금이나 복합재료 보다 중량 대비 고강도, 고경도, 내마모성, 고강성 등 많은 장점을 가지고 있다.
참고문헌 (12)
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